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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
zum Ansteuern eines Ventils, insbesondere eines Einspritzventils
zum Zumessen von Fluid, insbesondere von Kraftstoff, für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs. Das Ventil umfasst einen Piezoaktor, der mit
einem Steuerventil koppelbar ist und der abhängig von einer Ansteuerung
des Piezoaktors das Steuerventil öffnet oder schließt. Durch
das Steuerventil ist ein Fluiddruck in einem Steuerraum des Ventils
variierbar. Ferner umfasst das Ventil eine Ventilnadel, die abhängig von
dem Fluiddruck in dem Steuerraum aus einer Schließstellung
heraus oder in die Schließstellung
hinein bewegbar ist. Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils ist beispielsweise durch
die
DE 101 50 414
A1 und die WO 03/083278 A1 bekannt geworden.
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Piezoaktoren
werden angesteuert durch Zuführen
oder Entnehmen einer elektrischen Größe, z.B. einer elektrischen
Spannung oder von elektrischer Energie oder elektrischer Ladung.
Aufgrund von mechanischen Toleranzen des Ventils und elektromechanischen
Toleranzen des Piezoaktors kann eine vorgegebene Ansteuerung von
verschiedenen gleichartigen Piezoaktoren zu einem unterschiedlich großen Hub
führen.
Dadurch sind beispielsweise Öffnungs-
und Schließzeiten
oder ein Öffnungsgrad
von Ventilen unterschiedlich, die durch einen solchen Piezoaktor
betätigt
werden, und somit kann auch eine zugemessene Fluidmenge variieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils zu schaffen, das bzw. die
ein zuverlässiges
Zumessen einer vorgegebenen Fluidmenge ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Ansteuern eines Ventils. Das Ventil umfasst einen
Piezoaktor, der mit einem Steuerventil koppelbar ist und der abhängig von
einer Ansteuerung des Piezoaktors das Steuerventil öffnet oder
schließt.
Durch das Steuerventil ist ein Fluiddruck in einem Steuerraum variierbar.
Das Ventil umfasst ferner eine Ventilnadel, die abhängig von
dem Fluiddruck in dem Steuerraum aus einer Schließstellung
heraus oder in die Schließstellung
hinein bewegbar ist. Ein erster Wert einer elektrischen Größe des Piezoaktors
oder ein erster Zeitpunkt wird ermittelt, der einer ersten Laständerung
an dem Piezoaktor zugeordnet ist. Die erste Laständerung ist verursacht durch
ein Überwinden
eines Leerhubs des Piezoaktors, durch ein Anschlagen eines Schließkörpers des
Steuerventils gegen eine Hubbegrenzung des Steuerventils oder ein Ablösen des
Schließkörpers von
dieser oder durch ein Abheben des Schließkörpers von einem Sitz des Steuerventils
oder ein Aufsetzen des Schließkörpers auf
diesen. In einem ersten Betriebsbereich wird ein zweiter Wert der
elektrischen Größe oder
ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, der einer zweiten Laständerung an
dem Piezoaktor zugeordnet ist. Die zweite Laständerung ist auslösbar durch
eine Änderung
des Fluiddrucks in dem Steuerraum aufgrund eines Beschleunigens
der Ventilnadel. In dem ersten Betriebsbereich wird durch entsprechendes
Ansteuern des Piezoaktors der ermittelte zweite Wert oder der ermittelte
zweite Zeitpunkt auf einen vorgegebenen zweiten Wert bzw. einen
vorgegebenen zweiten Zeitpunkt geregelt. Ferner wird in dem ersten
Betriebsbereich derjenige ermittelte erste Wert oder derjenige ermittelte erste
Zeitpunkt gespeichert, der sich einstellt, wenn der ermittelte zweite
Wert oder der ermittelte zweite Zeitpunkt auf den vorgegebenen zweiten
Wert bzw. den vorgegebenen zweiten Zeitpunkt ausgeregelt ist. In
einem zweiten Betriebsbereich wird durch entsprechendes Ansteuern
des Piezoaktors der ermittelte erste Wert oder der ermittelte erste
Zeitpunkt auf einen vorgegebenen ersten Wert bzw. einen vorgegebenen
ersten Zeitpunkt geregelt. Der vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene
erste Zeitpunkt wird abhängig
von dem gespeicherten ersten Wert bzw. dem gespeicherten ersten
Zeitpunkt vorgegeben.
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Der
Vorteil ist, dass das Ventil zum Zumessen einer vorgegebenen Fluidmenge
nicht nur in dem ersten Betriebsbereich geregelt betrieben werden kann,
in dem der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt erfassbar ist,
sondern auch in dem zweiten Betriebsbereich, in dem gegebenenfalls
nur der erste Wert oder der erste Zeitpunkt erfassbar ist. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, dass zum Ansteuern des Piezoaktors des
Ventils für
ein zuverlässiges
Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge bekannt sein muss, wann das
Ventil z.B. öffnet
oder schließt,
also wann die Ventilnadel aus ihrer Schließstellung herausbewegt wird
bzw. in ihre Schließstellung
hinein bewegt wird.
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Durch
das Beschleunigen der Ventilnadel kann eine Änderung des Fluiddrucks in
dem Steuerraum des Ventils hervorgerufen werden. Diese Änderung
des Fluiddrucks kann bei entsprechender Ausgestaltung des Ventils
auf den Piezoaktor einwirken und eine entsprechende Änderung
einer elektrischen Größe des Piezoaktors
hervorrufen, z.B. einer Spannung oder einer Kapazität des Piezoaktors.
Diese Änderung
der elektrischen Größe kann
genutzt werden, um den zweiten Wert oder den zweiten Zeitpunkt zu
ermitteln und auf den vorgegebenen zweiten Wert bzw. vorgegebenen
zweiten Zeitpunkt zu regeln.
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Jedoch
kann der zweite Wert oder der zweite Zeitpunkt nicht in jedem Betriebsbereich
ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Zeitdauer für das Ansteuern
des Piezoaktors zu kurz sein. Jedoch kann der erste Wert oder der
erste Zeitpunkt ermittelbar sein, so dass eine Regelung des ersten
Werts bzw. des ersten Zeitpunkts auf den vorgegebenen ersten Wert
bzw. den vorgegebenen ersten Zeitpunkt möglich ist. Aufgrund von mechanischen
Toleranzen des Ventils und elektromechanischen Toleranzen des Piezoaktors
ist jedoch im Allgemeinen ein Schließen von dem erfassten ersten
Wert oder dem erfassten ersten Zeitpunkt auf z.B. das Öffnen oder
Schließen des
Ventils und somit auf die tatsächlich
zugemessene Fluidmenge nicht möglich.
Durch das Speichern des erfassten ersten Werts bzw. des erfassten
ersten Zeitpunkts in dem ersten Betriebsbereich kann jedoch der
vorgegebene erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt in dem
zweiten Betriebsbereich geeignet vorgegeben werden für das zuverlässige Zumessen
der vorgegebenen Fluidmenge.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in dem ersten
Betriebsbereich dem ermittelten ersten Wert oder dem ermittelten
ersten Zeitpunkt mindestens ein Betriebskennwert zugeordnet, der
charakteristisch ist für
vorherrschende erste Betriebsbedingungen des Ventils beim Ermitteln
des ersten Werts bzw. des ersten Zeitpunkts. Der erste Wert bzw.
der erste Zeitpunkt wird zugeordnet zu dem mindestens einen Betriebskennwert
gespeichert. In dem zweiten Betriebsbereich wird der vorgegebene
erste Wert bzw. der vorgegebene erste Zeitpunkt abhängig von
dem mindestens einen Betriebskennwert von aktuell vorherrschenden
zweiten Betriebsbedingungen vor gegeben. Dies hat den Vorteil, dass
das Zumessen der vorgegebenen Fluidmenge in dem zweiten Betriebsbereich
auch für
unterschiedliche Betriebsbedingungen zuverlässig möglich ist.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine
Betriebskennwert eine Temperatur oder der Fluiddruck ist. Die Temperatur ist
vorzugsweise charakteristisch für
eine Temperatur des Ventils und ist z.B. eine Temperatur des Fluids oder
eine Temperatur des Piezoaktors. Dies hat den Vorteil, das die Temperatur
bzw. der Fluiddruck einfach ermittelbar sind und das Zumessen der
vorgegebenen Fluidmenge in dem zweiten Betriebsbereich so besonders
zuverlässig
erfolgen kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
zweite Laständerung
verursacht durch ein Verlassen der Schließstellung der Ventilnadel oder
durch ein Anschlagen der Ventilnadel gegen eine Hubbegrenzung der
Ventilnadel. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der zweite Wert
oder der zweite Zeitpunkt in dem ersten Betriebsbereich bei geeigneter
Ausgestaltung des Ventils zuverlässig
ermittelbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ventil mit einer ersten Ausführungsform
eines Steuerventils,
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2 eine
zweite Ausführungsform
des Steuerventils,
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3A ein
Piezoaktor ohne Auslenkung,
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3B der
Piezoaktor mit einem Leerhub als Auslenkung,
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3C der
Piezoaktor mit einem zusätzlichen
Lasthub als Auslenkung,
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4 ein
Kapazitäts-Spannungs-Diagramm mit
einem Verlauf einer Kapazität
des Piezoaktors,
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5 ein
Spannungs-Zeit-, Strom-Zeit-, Ladungs-Zeit- und Kapazitäts-Zeit-Diagram
eines Ansteuerzyklus des Piezoaktors,
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6 ein
weiteres Spannungs-Zeit-Diagramm und
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7 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern des Ventils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Ein
Ventil, insbesondere ein Einspritzventil, z.B. für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs, umfasst einen Injektorkörper 1 mit einem Fluidzulauf 2 und
einem Fluidablauf 3 (1). Der
Injektorkörper 1 weist
eine Ausnehmung auf, in der ein Steuerkolben 4 angeordnet
ist. Der Steuerkolben 4 ist mit einer Ventilnadel 5 gekoppelt.
Die Ausnehmung umfasst ferner einen Steuerraum 6, der hydraulisch
zwischen dem Fluidzulauf 2 und dem Fluidablauf 3 angeordnet
ist.
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Hydraulisch
zwischen dem Steuerraum 6 und dem Fluidablauf 3 ist
ein Steuerventil 7 angeordnet. Das Steuerventil 7 umfasst
einen Steuerventilkolben 8 mit einem Schließkörper 12 und
eine Steuerventilfeder 9. Die Steuerventilfeder 9 ist
so angeordnet, dass sie den Steuerventilkolben 8 in eine Schließposition
des Steuerventils 7 drückt.
In der Schließposition sitzt
der Schließkörper 12 auf
einem Sitz 13 des Steuerventils 7 auf und ein
Fluidfluss zwischen dem Steuerraum 6 und dem Fluidablauf 3 ist somit
unterbunden.
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Das
Einspritzventil weist ferner einen Piezoaktor 10 auf, der
so angeordnet ist, dass dieser bei einer geeigneten Ansteuerung
den Steuerventilkolben 8 gegen eine Federkraft der Steuerventilfeder 9 aus der
Schließposition
des Steuerventils 7 herausbewegt und das Steuerventil 7 so öffnet. Der
Schließkörper 12 hebt
dann von dem Sitz 13 des Steuerventils 7 ab und
ermöglicht
somit den Fluidfluss zwischen dem Steuerraum 6 und dem
Fluidablauf 3.
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Über den
Fluidzulauf 2 kann dem Steuerraum 6 ein Fluid,
z.B. Dieselkraftstoff, unter hohem Druck zugeführt werden. Der hohe Fluiddruck
wirkt bei geschlossenem Steuerventil 7 zusätzlich zu
der Federkraft der Steuerventilfeder 9 auf den Steuerventilkolben 8.
Der Piezoaktor 10 muss deshalb zum Öffnen des Steuerventils 7 den
Steuerventilkolben 8 mit hoher Kraft gegen den hohen Fluiddruck
und gegen die Federkraft bewegen. Ist das Steuerventil 7 jedoch
geöffnet,
dann kann Fluid aus dem Steuerraum 6 über den Fluidablauf 3 abfließen, so
dass der Fluiddruck in dem Steuerraum 6 geringer ist. Der
Piezoaktor 10 muss dann im Wesentlichen nur noch eine Kraft
aufbringen, die der Federkraft der Steuerventilfeder 9 entspricht,
um das Steuerventil 7 weiter öffnen oder offen halten zu
können.
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Das
Einspritzventil ist mit einer Steuereinheit 11 koppelbar,
die auch als eine Vorrichtung zum Ansteuern des Ventils bezeichnet
werden kann. Die Steuereinheit 11 ist ausgebildet, dem
Piezoaktor 10 eine elektrische Größe zuzuführen oder zu entnehmen. Insbesondere
kann dem Piezoaktor 10 eine elektri sche Spannung U, eine
elektrische Ladung Q oder elektrische Energie zugeführt oder
entnommen werden. Abhängig
von einem Ladezustand des Piezoaktors 10, bildet sich über dem
Piezoaktor 10 die elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 aus.
Das Zuführen
der elektrischen Größe oder
das Entnehmen der elektrischen Größe resultiert in einen elektrischen
Strom I. Die dem Piezoaktor 10 zugeführte oder entnommene elektrische
Größe kann
beispielsweise über
eine Zeitdauer gesteuert oder geregelt werden, während der der elektrische Strom
I fließt, oder über einen
Betrag des elektrischen Stroms I, der während einer vorgegebenen Zeitdauer
oder auch variablen Zeitdauer fließt. Die dem Piezoaktor 10 zugeführte oder
entnommene elektrische Ladung Q kann z.B. durch zeitliches Integrieren
des elektrischen Stroms I ermittelt werden.
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Das
Steuerventil 7 kann auch so ausgebildet sein, dass eine
Auslenkung des Piezoaktors 10, die auch als ein Hub bezeichnet
werden kann, durch eine Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 begrenzt
ist (2). Wenn der Schließkörper 12 auf die Hubbegrenzung 15 des
Steuerventils 7 trifft, wird der Piezoaktor 10 an
einer weiteren Auslenkung in Richtung der Hubbegrenzung 15 des
Steuerventils 7 gehindert. Das Steuerventil 7 weist
dann seinen maximalen Öffnungsgrad
auf.
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Das
Steuerventil 7 kann auch anders ausgebildet sein. Beispielsweise
kann das Steuerventil 7 auch eine schaltbare Bypassdrossel
umfassen, die geöffnet
ist, wenn das Steuerventil 7 geschlossen ist, und die geschlossen
ist, wenn das Steuerventil 7 geöffnet ist. Die schaltbare Bypassdrossel
koppelt den Steuerraum 6 hydraulisch mit einer hochdruckführenden
Kammer oder Zuleitung, die mit dem Fluidzulauf 2 hydraulisch
gekoppelt ist. Dadurch kann eine Schließbewegung der Düsennadel 5 durch
zusätzlichen
Zufluss von Fluid in den Steuerraum 6 beschleunigt sein,
wenn die schaltbare Bypassdrossel geöffnet ist.
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Die
Auslenkung des Piezoaktors 10 erfolgt bei einer konstanten
Last abhängig
von der Spannung U des Piezoaktors 10. 3A zeigt
den Piezoaktor 10 mit einer Spannung U des Piezoaktors 10 von
0 V. Der Piezoaktor 10 weist dann z.B. bezogen auf eine
Referenzlänge
des Piezoaktors 10 keinen Hub auf. Die Piezoaktor 10 und
der Steuerventilkolben 8 sind beabstandet zueinander angeordnet.
Dieser Abstand wird auch als ein Leerhub IS bezeichnet. Der Piezoaktor 10 muss
diesen Leerhub IS überwinden,
bevor der Piezoaktor 10 auf den Steuerventilkolben 8 trifft
(3B). Dazu wird dem Piezoaktor 10 die
elektrische Größe zugeführt. Ist
der Piezoaktor 10 so weit ausgelenkt, dass der Leerhub
IS gerade überwunden
ist, weist der Piezoaktor 10 eine Leerhubspannung U_IS
auf. Der Steuerventilkolben 8 übt dann eine Last F_L auf den
Piezoaktor 10 aus, die der Auslenkung des Piezoaktors 10 entgegenwirkt. Um
den Steuerventilkolben 8 durch weitere Auslenkung aus seiner
Position herausbewegen zu können, muss
der Piezoaktor 10 eine Kraft F_P des Piezoaktors 10 aufbringen,
die mindestens so groß ist
wie die Last F_L und die dieser entgegengerichtet ist. Dazu muss
dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe weiter zugeführt werden.
Ist die Kraft F_P des Piezoaktors 10 genügend groß, um die
Last F_L überwinden
zu können,
und wird dem Piezoaktor 10 die elektrische Größe weiter
zugeführt,
dann wird durch die weitere Auslenkung des Piezoaktors 10 der
Steuerventilkolben 8 um einen Lasthub LS axial bewegt (3C). Dies
führt zu
einem Öffnen
des Steuerventils 7 durch Abheben des Schließkörpers 12 von
dem Sitz 13 des Steuerventils 7. Bei dem Lasthub
LS weist der Piezoaktor 10 eine Lasthubspannung U_LS auf.
Gegebenenfalls ist der Lasthub LS durch die Hubbegrenzung 15 des
Steuerventils 7 begrenzt.
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Bei
einer geeigneten Ausgestaltung des Ventils ist die Last F_L, die
auf den Piezoaktor 10 wirkt, wenn der Piezoaktor 10 mit
dem Steuerventilkolben 8 gekoppelt ist, abhängig von
dem Fluiddruck in dem Steuerraum 6 unterschiedlich groß. Dadurch können Änderungen
des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 entsprechende Änderungen
der elektrischen Größen des
Piezoaktors 10 bewirken. Somit kann die Laständerung
an dem Piezoaktor 10 aus mindestens einer der elektrischen
Größen des
Piezoaktors 10 ermittelt werden, wenn die jeweilige Laständerung
genügend
groß für deren
zuverlässige
Erkennung ist. Ein Beschleunigen der Ventilnadel 5 kann über den Steuerkolben 4 eine Änderung
des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 hervorrufen, die als
Laständerung in
mindestens einer der elektrischen Größen des Piezoaktors 10 erkennbar
ist, z.B. bei einem Bewegen der Ventilnadel 5 heraus aus
ihrer Schließstellung oder
bei einem Bewegen der Ventilnadel 5 hinein in ihre Schließstellung
oder bei einem Anschlagen der Ventilnadel 5 gegen eine
Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5.
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4 zeigt
ein Kapazitäts-Spannungs-Diagramm.
In dem Kapazitäts-Spannungs-Diagramm
ist jeweils ein Verlauf einer Kapazität von fünf verschiedenen Piezoaktoren 10 bezogen
auf die elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 dargestellt.
Der unterschiedliche Verlauf der elektrischen Kapazität C des
jeweiligen Piezoaktors 10 beruht auf einer Streuung von
Eigenschaften der jeweiligen Piezoaktoren 10, so dass jeder
Piezoaktor 10 individuelle Eigenschaften besitzt, die sich
z.B. auf die erforderliche elektrische Energie oder elektrische
Ladung auswirken, die dem jeweiligen Piezoaktor 10 zum Überwinden
der Last F_L bzw. zum Aufbringen der Kraft F_P des Piezoaktors 10 oder
zum Erreichen eines gewünschten
Hubs bzw. Öffnungsgrads
des Steuerventils 7 zugeführt oder entnommen werden muss.
Insbesondere kann sich auch nach einer längeren Ruhezeit des Piezoaktors 10 aufgrund
einer teilweisen Druckdepolarisation eine Verschiebung der elektrischen
Kapazität
C zu höheren
Kapazitätswerten
einstellen, die durch die während
des Betriebs zugeführte
oder entnommene elektrische Größe und die
damit einhergehende elektrischen Polarisation des Piezoaktors 10 wieder
abgebaut wird. Für
die Leerhubspannung U_IS gilt entsprechendes, da der Piezoaktor 10 bei
starker Polarisation mehr Hub pro elektrischer Spannung U erzeugt
als bei schwacher Polarisation. Dadurch wird der Leerhub IS entsprechend bei
einer geringen bzw. bei einer großen Leerhubspannung U_IS überwunden.
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Die
elektrische Kapazität
C des Piezoaktors 10 wird bevorzugt aus der dem Piezoaktor 10 zugeführten oder
entnommenen elektrischen Ladung Q und der elektrischen Spannung
U des Piezoaktors 10 ermittelt. Die elektrische Ladung
Q kann, wie oben bereits beschrieben, durch zeitliches Integrieren
des elektrischen Stroms I ermittelt werden. Die so ermittelte elektrische
Kapazität
C des Piezoaktors 10 entspricht einer Großsignalkapazität des Piezoaktors 10.
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Dem
Piezoaktor 10 kann jedoch auch eine hochfrequente Wechselspannung
oder ein hochfrequenter Wechselstrom zugeführt werden. Eine Frequenz der
hochfrequenten Wechselspannung oder des hochfrequenten Wechselstroms
muss so groß sein,
dass diese oberhalb der relevanten mechanischen Resonanzfrequenzen
des mechanischen Systems liegt, insbesondere bezüglich der Längsrichtung des Piezoaktors 10.
Beispielsweise kann aus dem Quotienten der erzeugten Differenz der
Ladung des Piezoaktors 10 und der so erzeugten Differenz der
Spannung U des Piezoaktors 10 abhängig von einer Amplitude der
hochfrequenten Wechselspannung oder des hochfrequenten Wechselstroms
eine Klein signalkapazität
des Piezoaktors 10 ermittelt werden. Ebenso kann die Kapazität C des
Piezoaktors 10 über
eine Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen der hochfrequenten
Wechselspannung und dem hochfrequenten Wechselstrom ermittelt werden.
Dabei ist es vorteilhaft, die Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung
bzw. des hochfrequenten Wechselstroms auf eine elektrische Resonanzfrequenz
eines elektrischen Messschwingkreises abzustimmen, der den Piezoaktor 10 umfasst.
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Der
jeweilige Verlauf der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 weist
charakteristische Merkmale auf. Ausgehend von einer geringen Spannung
U des Piezoaktors 10 steigt die elektrische Kapazität C des
Piezoaktors 10 mit steigender elektrischer Spannung U des
Piezoaktors 10 an. Nach dem Überwinden des Leerhubs IS flacht
der Verlauf der Kapazität
C des Piezoaktors 10 ab oder sinkt. Der Verlauf der Kapazität C des
Piezoaktors 10 steigt erst dann wieder mit einer größeren positiven
Steigung an, wenn der Piezoaktor 10 mindestens eine Steuerventilöffnungsspannung
U_VO aufweist. Der Piezoaktor 10 führt dann den Lasthub LS aus.
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Weist
der Piezoaktor 10 eine elektrische Spannung U des Piezoaktors 10 auf,
die zwischen der Leerhubspannung U_IS und der Steuerventilöffnungsspannung
U_VO liegt, dann ändert
sich die Auslenkung des Piezoaktors 10 innerhalb dieses Spannungsbereichs
nur wenig. Die Kraft F_P des Piezoaktors 10 ist dann noch
nicht groß genug,
um den Steuerventilkolben 8 gegen die Last F_L zu bewegen.
Diese Erkenntnis wird genutzt, um abhängig von dem Verlauf der Kapazität C des
Piezoaktors 10 eine Änderung
der Last F_L zu erkennen, z.B. um das Überwinden des Leerhubs IS oder
das Abheben des Schließkörpers 12 von
dem Sitz 13 des Steuerventils 7 zu erkennen oder
auch das Auftreffen des Schließkörpers 12 auf
die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7. Ferner
können
abhängig
von dem Verlauf der Kapazität
C des Piezoaktors 10 jeweils ein Zeitpunkt der Änderung
der Last F_L, z.B. ein Zeitpunkt t_IS der Überwindung des Leerhubs IS
oder ein Zeitpunkt t_VO des Öffnens
des Steuerventils 7, und die jeweils zugeordnete elektrische
Größe des Piezoaktors 10 erfasst
werden, z.B. die Leerhubspannung U_IS, die Steuerventilöffnungsspannung
U_VO, eine Leerhubkapazität
C_IS oder eine Steuerventilöffnungskapazität C_VO.
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Das
Auftreffen des Schließkörpers 12 auf
die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 ist in
dem Verlauf der Kapazität
C des Piezoaktors 10 entsprechend dem Auftreffen des Piezoaktors 10 auf
den Steuerventilkolben 8 bei der Leerhubspannung U_IS nach Überwinden
des Leerhubs IS zu erkennen. Jedoch steigt die Kapazität C des
Piezoaktors 10 nicht weiter an, wenn dem Piezoaktor 10 die
elektrische Größe weiter
zugeführt
wird.
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Die
charakteristischen Punkte in dem Verlauf der Kapazität C des
Piezoaktors 10, die sich durch die Änderung der Last F_L des Piezoaktors 10 ergeben,
können
auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Beispielsweise
kann eine logarithmische Kurve oder eine Kurve maximal zweiter Ordnung, z.B.
ein Polynom zweiter Ordnung, an den Verlauf der Kapazität C des
Piezoaktors 10 angepasst werden. Aus einer Differenz zwischen
der logarithmischen Kurve und dem Verlauf der Kapazität C des
Piezoaktors 10 kann dann ein Maximum bzw. ein Minimum ermittelt
werden. Das Maximum korreliert beispielsweise mit dem Kontakt zwischen
dem Piezoaktor 10 und dem Steuerventilkolben 8 nach
dem Überwinden
des Leerhubs IS. Entsprechend korreliert das Minimum beispielsweise
mit dem Öffnen
des Steuerventils 7 bei der Steuerventilöffnungsspannung U_VO.
Eine alternative Möglichkeit
zum Erkennen des Öffnens
des Steuerventils 7 besteht darin, durch zweimaliges Ableiten
und gegebe nenfalls anschließendes
Filtern des Verlaufs der Kapazität
C des Piezoaktors 10 diejenige Position in dem Verlauf
der Kapazität
C des Piezoaktors 10 zu finden, die eine positive Krümmung aufweist.
Diese kann dem Öffnen
des Steuerventils 7 zugeordnet werden. Entsprechend kann
auch eine negative Krümmung
erkannt werden, die die negative Krümmung des Verlaufs der Kapazität C des
Piezoaktors 10 in Bereichen ohne Änderung der Last F_L betragsmäßig übersteigt.
Eine solche negative Krümmung
wird beispielsweise durch das Auftreffen des Piezoaktors 10 auf
den Steuerventilkolben 8 bei dem Leerhub IS oder durch
das Auftreffen des Schließkörpers 12 auf
die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 verursacht.
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Durch
geeignetes Ansteuern des Piezoaktors 10 können die
charakteristischen Merkmale des Verlaufs der elektrischen Kapazität C des
Piezoaktors 10 besonders zuverlässig erkennbar sein. Beispielsweise
ist es vorteilhaft, den Betrag des Stroms während dem Zuführen oder
Entnehmen der elektrischen Größe im Wesentlichen
konstant zu halten oder mit einer konstanten Rate zu ändern. Dadurch kann
eine Änderung
der elektrischen Kapazität
C des Piezoaktors 10 durch dessen Auslenkung leichter von
der durch die Änderung
der elektrischen Ladung unterschieden werden.
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5 zeigt
zeitliche Verläufe
der elektrischen Spannung U, des elektrischen Stroms I, der elektrischen
Ladung Q und der elektrischen Kapazität C des Piezoaktors 10 über einen
Ansteuerzyklus für
das Zumessen des Fluids. Aus den Verläufen der elektrischen Spannung
U und der elektrischen Kapazität
C können
jeweils ein Zeitpunkt t_VL des Anschlags des Schließkörpers 12 an
die Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 und ein
Zeitpunkt t_VD des Ablösens
des Schließkörpers 12 von
der Hubbegrenzung 15 des Steuerventils 7 ermittelt
werden. Somit können
das Überwinden
des Leerhubs IS des Piezoaktors 10, das Anschlagen des
Schließkörpers 12 des
Steuerventils 7 gegen die Hubbegrenzung 15 des
Steuerventils 7 oder das Ablösen des Schließkörpers 12 von
dieser oder das Abheben des Schließkörpers 12 von dem Sitz 13 des
Steuerventils 7 oder das Aufsetzen des Schließkörpers 12 auf
diesen als Laständerung
an dem Piezoaktor 10 ermittelt werden.
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Eine
Auswahl der jeweils für
das Ermitteln geeigneten elektrischen Größe erfolgt vorzugsweise abhängig von
der mechanischen Ausgestaltung des Ventils und der elektrischen
Ausgestaltung der Steuereinheit 11 und des Piezoaktors 10.
Die oben genannten Laständerungen
können
gegebenenfalls z.B. aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung
U, des elektrischen Stroms I, der elektrischen Ladung Q, der elektrischen
Energie oder der elektrischen Kapazität C oder aus dem Verlauf der elektrischen
Kapazität
C abhängig
von der elektrischen Spannung U ermittelt werden.
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6 zeigt
mehrere zeitliche Verläufe
eines Ansteuerzyklus der elektrischen Spannung U des Piezoaktors 10 für unterschiedliche
elektrische Energien. Je größer die
dem Piezoaktor 10 zugeführte
elektrische Energie, desto höher
ist die resultierende elektrische Spannung U des Piezoaktors 10.
In den zeitlichen Verläufen
der elektrischen Spannung U sind der Zeitpunkt t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS, die zugehörige
Leerhubspannung U_IS, der Zeitpunkt t_VO des Öffnens des Steuerventils 7,
die zugehörige
Steuerventilöffnungsspannung
U_VO, ein Zeitpunkt t_NO eines Beginns eines Bewegens der Ventilnadel 5 aus
ihrer Schließstellung
heraus, eine zugehörige
Ventilöffnungsspannung
U_NO, ein Zeitpunkt t_NL eines Anschlags der Ventilnadel 5 gegen
eine Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5 und eine
zugehörige
Ventilnadelanschlagspannung U_NL gekennzeichnet. Abhängig von
der Ausgestaltung des Ventils kann gegebenenfalls auch ein Zeitpunkt
und eine zugehörige
elektrische Spannung für ein
Bewegen der Ventilnadel 5 in die Schließstellung hinein ermittelbar
sein, wenn eine dadurch verursachte Änderung des Fluiddrucks in
dem Steuerraum 6 noch auf den Piezoaktor 10 wirken
kann, z.B. weil der Leerhub IS nicht vorhanden ist.
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7 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern des Ventils. Dieses
Verfahren ist beispielsweise als ein Programm in der Steuereinheit 11 ausgebildet
und wird von dieser ausgeführt.
Das Verfahren beginnt in einem Schritt S21. In einem Schritt S23
wird dem Ventil bzw. dem Piezoaktor 10 eine der elektrischen
Größen zugeführt oder entnommen.
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In
einem Schritt S25 wird überprüft, in welchem
Betriebsbereich BB das Ventil betrieben wird. In einem ersten Betriebsbereich
BB1 kann eine Rückwirkung
der Beschleunigung der Ventilnadel 5 über die entsprechende Änderung
des Fluiddrucks in dem Steuerraum 6 auf den Piezoaktor 10 als
Laständerung
erkannt werden. Dazu ist beispielsweise eine Zeitdauer eines Ansteuerzyklus
ausreichend lang, z.B. mindestens 0,6 Millisekunden, und der Fluiddruck
in dem Steuerraum 6 ausreichend hoch, z.B. mindestens 400
bar.
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In
einem Schritt S27 wird ein erster Wert mindestens einer der elektrischen
Größen des
Piezoaktors 10 oder ein erster Zeitpunkt ermittelt. Dieser
erste Wert bzw. erste Zeitpunkt ist einer ersten Laständerung
an dem Piezoaktor 10 zugeordnet, die z.B. verursacht ist
durch das Überwinden
des Leerhubs IS des Piezoaktors 10, durch ein Anschlagen
des Schließkörpers 12 des
Steuerventils 7 gegen die Hubbegrenzung 15 des
Steuerventils 7 oder das Ablösen des Schließkörpers 12 von dieser
oder durch das Abheben des Schließkörpers 12 von einem
Sitz 13 des Steuerventils 7 oder ein Aufsetzen
des Schließkörpers 12 auf
diesen. Beispielsweise wird der Zeitpunkt t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS ermittelt.
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In
einem Schritt S29 wird entsprechend ein zweiter Wert mindestens
einer der elektrischen Größen des
Piezoaktors 10 oder ein zweiter Zeitpunkt ermittelt. Dieser
zweite Wert bzw. zweite Zeitpunkt ist einer zweiten Laständerung
an dem Piezoaktor 10 zugeordnet, die z.B. verursacht ist
durch ein Verlassen der Schließstellung
der Ventilnadel 5 oder durch ein Anschlagen der Ventilnadel 5 gegen
die Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5. Gegebenenfalls
kann auch das Einnehmen der Schließstellung der Ventilnadel 5 als
Laständerung
an dem Piezoaktor 10 erkannt werden, wie oben bereits erläutert wurde.
Beispielsweise wird der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 an
die Hubbegrenzung 17 der Ventilnadel 5 ermittelt.
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In
einem Schritt S31 wird überprüft, ob der Zeitpunkt
t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 etwa gleich einem
Sollwert t_NL_SP des Zeitpunkts t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist.
Ist die Bedingung nicht erfüllt,
dann wird in einem Schritt S33 mindestens ein Parameter für das Zuführen oder
Entnehmen der elektrischen Größe für einen
nachfolgenden Ansteuerzyklus angepasst und das Verfahren in dem Schritt
S23 fortgeführt.
Ist die Bedingung in dem Schritt S31 jedoch erfüllt, dann wird in einem Schritt S35
mindestens eine erste Betriebsbedingung ermittelt, z.B. eine Temperatur
T, die bevorzugt charakteristisch ist für eine Temperatur des Ventils,
z.B. eine Temperatur der Brennkraftmaschine oder eine Temperatur
des Piezoaktors 10 oder eine Temperatur des Fluids, z.B.
des Dieselkraftstoffs. Auch der vorherrschende Flu iddruck kann eine
Betriebsbedingung sein. In einem Schritt S37 wird dem erfassten
Zeitpunkt t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS die mindestens eine erste Betriebsbedingung, z.B.
die Temperatur T, zugeordnet und gespeichert. Das Verfahren wird
für den
nachfolgenden Ansteuerzyklus in dem Schritt S23 fortgeführt.
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Liegt
in dem Schritt S25 jedoch ein zweiter Betriebsbereich BB2 vor, dann
wird das Verfahren anstatt in dem Schritt S27 in einem Schritt S39
fortgeführt.
In dem zweiten Betriebsbereich BB2 muss der zweite Wert bzw. der
zweite Zeitpunkt nicht ermittelbar sein. In dem Schritt S39 wird
entsprechend dem Schritt S27 der erste Wert bzw. der erste Zeitpunkt
ermittelt. In einem Schritt S41 wird entsprechend dem Schritt S35
mindestens eine aktuell vorherrschende zweite Betriebsbedingung
ermittelt, z.B. die Temperatur T. In einem Schritt S43 wird abhängig von
mindestens einem zuvor gespeicherten ersten Wert bzw. ersten Zeitpunkt,
z.B. dem Zeitpunkt t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS, ein Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS ermittelt. Dabei wird bevorzugt derjenige gespeicherte
Zeitpunkt t_IS(T) der Überwindung
des Leerhubs IS genutzt, dessen zugeordnete mindestens eine erste
Betriebsbedingung der aktuell vorherrschenden mindestens einen zweiten
Betriebsbedingung entspricht, also z.B. die Temperatur T etwa übereinstimmt.
Gegebenenfalls kann der Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS auch durch Interpolation oder Extrapolation von
gespeicherten ersten Werten bzw. ersten Zeitpunkten unterschiedlicher
Betriebsbedingungen ermittelt werden.
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In
einem Schritt S45 wird überprüft, ob der ermittelte
Zeitpunkt t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS etwa gleich dem Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts
t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS ist. Ist die Bedingung nicht erfüllt, dann wird in einem Schritt S47
entsprechend dem Schritt S33 mindestens ein Parameter für das Zuführen oder
Entnehmen der elektrischen Größe für den nachfolgenden
Ansteuerzyklus angepasst und das Verfahren in dem Schritt S23 fortgeführt. Ist
die Bedingung in dem Schritt S45 jedoch erfüllt, dann wird das Verfahren
ebenfalls in dem Schritt S23 fortgeführt.
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In
dem ersten Betriebsbereich BB1 wird der Zeitpunkt t_NL des Anschlags
der Ventilnadel 5 auf den Sollwert t_NL_SP des Zeitpunkts
t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 geregelt. Der Sollwert t_NL_SP
des Zeitpunkts t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist
vorzugsweise geeignet so vorgegeben, dass die vorgegebene Fluidmenge
zugemessen wird, wenn die Bedingung in dem Schritt S31 erfüllt ist,
der Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 also
ausgeregelt ist. In dem zweiten Betriebsbereich BB2 wird der Zeitpunkt
t_IS der Überwindung des
Leerhubs IS auf den Sollwert t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS geregelt. Eine Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt
t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS und dem Zeitpunkt t_NL des Anschlags der Ventilnadel 5 ist
im Allgemeinen nicht konstant und kann abhängig sein von der mindestens
einen Betriebsbedingung sowie von mechanischen Toleranzen und Verschleiß des Ventils. Durch
das Ermitteln und Speichern des Zeitpunkts t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS in dem ersten Betriebsbereich BB1 und durch das
Ermitteln des Sollwerts t_IS_SP des Zeitpunkts t_IS der Überwindung
des Leerhubs IS abhängig
von diesem in dem zweiten Betriebsbereich BB2 kann das Ventil sowohl in
dem ersten als auch in dem zweiten Betriebsbereich BB1, BB2 geregelt
betrieben werden. Das Ventil kann so die vorgegebene Fluidmenge
zuverlässig zumessen.